趣味化学实验“点火成蛇”研究

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摘要:通过多年的实验探究发现，趣味化学实验“点火成蛇”，可以不用催化剂，直接点燃蔗糖和碳酸氢钠的混合物，就可以得到实验结果。以前所说的“催化剂”，实际上只起了一个吸附酒精集中加热反应物的作用，使实验现象更加明显，而对化学反应并没有“催化”作用。建议普通实验室用沙子或细黄土在铁架台底座上进行这个实验。

关键词:蔗糖;趣味化学实验;催化剂

1问题的提出

趣味化学实验“点火成蛇”也称为“燃糖成蛇”［1］、“烧糖成蛇”［2］或“引蛇出洞”［3－4］，因使用药品少、操作简单、成功率高，深受化学教育工作者和学生喜爱，是各类化学教材最常选用的趣味实验之一［5－6］，如有些学校开设的化学类选修课列入了本实验［7－9］。实验步骤是，用烟灰做催化剂［10］，先用火引燃蔗糖和碳酸氢钠的混合物，碳酸氢钠受热分解放出二氧化碳气体，蔗糖形成黏性物质，伴随着不易逸出的二氧化碳气体，生成疏松弯曲的蛇状物［11］。具体的实验步骤如下：第1步：将3～4药勺烟灰铺在石棉网中间，用药勺将它摊开呈浅“盘子”状。第2步：称取2g蔗糖，放在研钵内研细，再加入0．25g碳酸氢钠，混合均匀。取出大约0．5g混合物，堆在浅“盘子”中间，尽量堆得高一些，顶部呈尖角状。第3步：在混合物周围的烟灰上滴加1滴管酒精，在无风处点火引燃酒精，并注意观察。片刻后，锥状物尖端上有疏松、弯曲的黑色蛇状物慢慢伸出，并不断伸长。主要的化学方程式如下：C12H22O11＋12O211H2O＋12CO2↑2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑反应原理是，蔗糖受热发生燃烧、熔化、氧化、炭化等一系列化学反应，蔗糖氧化和碳酸氢钠分解生成的二氧化碳在熔化变黏稠的蔗糖内部不易逸出，随着二氧化碳生成量的增多，顶着黏稠变软的蔗糖不断向外生长，形成“蛇”的形状。在长期的实践中我们觉得该实验有2个问题要解决，（1）“是否必须加催化剂才能反应”，（2）“如何将蔗糖和碳酸氢钠的混合物堆成锥形”。

2实验设计

为了探究上述问题，我们设计了3个实验。［实验1］取一张新的石棉网，不加“催化剂”，在石棉网中间堆上蔗糖和碳酸氢钠的干燥混合物粉末，尽量堆成圆锥体形。在混合物周围滴加1滴管酒精，用火柴点燃，可以看到，先是酒精燃烧，然后引燃混合物，从混合物的顶部开始，出现黑色的蛇状物，并不断伸长，见图1。［实验2］取一药勺已经研细混合均匀的混合物，用酒精湿润（为了便于堆成圆锥体形又不影响实验现象），后用手捏成比较尖的锥体形状，轻轻置于石棉网上，不加“催化剂”。在石棉网中间的圆锥体混合物周围滴加1滴管酒精，点燃，即可生成蛇状物。见图2。［实验3］取一张石棉网，不加任何“催化剂”，将一粒葡萄糖酸钙片分成4等份，取其中一份竖直放在新的石棉网上，周围滴加1滴管酒精，引燃，可以看到仍然能生成蛇状物，见图3。

3结果分析

实验1没有用“催化剂”，混合物没有湿润，不易堆成较尖的锥体形，能生成蛇状物，比较短。实验2没有用“催化剂”，混合物用适量的酒精湿润，容易堆成较尖的锥体形，形成的蛇状物稍长一些，效果较好。实验3没有用任何“催化剂”，加酒精后直接点燃，也容易生成蛇状物（色白），但比较短，蛇状物容易断裂成几段。上述3个实验中，由于酒精向反应物周围扩散，加热点不集中，导致反应物后期受热温度不够，混合物不能完全熔化，燃烧不够充分，蛇状物底部有一部分固体不能反应，需要多加几次酒精才能反应彻底。分析3个实验的结果，可以得出如下结论。（1）点火成蛇的实验并不需要催化剂。按照有关资料，本实验必须有催化剂才能反应，如认为“蔗糖不易燃烧，而促使其燃烧的关键是采用合适的催化剂”［2］。所用的催化剂一般有草木灰、香烟灰、金属氧化物、活性炭、石墨粉和碳酸镁等等［1］。根据催化剂的定义：如果把某种物质（可以是一种到几种）加到化学反应系统中，可以改变反应的速率而本身在反应前后没有数量上的变化，同时也没有化学性质的改变，则这种物质称为催化剂，这种作用称为催化作用。能加快反应速率的称为正催化剂，能减慢反应速率的称为负催化剂或阻化剂。一般不特别说明，催化剂都是指正催化剂。催化剂能改变反应速率，是由于催化剂在反应过程中参与了反应，改变了反应历程，显著降低了反应活化能。可见，催化剂必须与反应物充分接触，才能参加到化学反应系统中，才能起催化作用［12］。仔细观察点火成蛇的实验现象发现，不管采用哪一种“催化剂”，总是先从混合物的顶端开始出现蛇状物，此时并没有“催化剂”参与化学反应系统，与“催化剂”接触的底部反应物没有动静；实验的中间阶段也没有观察到“催化剂”与反应物接触部分有反应，只有混合物锥体的中部仍然有蛇状物继续生成；实验的最后阶段，也只是混合物中心部位的蔗糖继续燃烧，而不是只有与“催化剂”接触边缘部分的混合物反应，即这些“催化剂”绝大多数均没有与反应混合物完全接触，没有全部进入化学反应系统中，与“催化剂”接触部分没有观察到加快反应速率的迹象，谈不上催化作用。可见，“点火成蛇”的实验并不需要催化剂来加快反应。（2）“催化剂”只起吸附酒精的作用。黄敏、丁伟的研究认为，“燃糖成‘蛇’”实验中的化学反应发生在催化剂的表面上，催化剂的催化效果与其颗粒大小有关，颗粒越小，其比表面积越大，活性越高，对燃糖成“蛇”实验的催化效果越好，结论是“活性炭、石墨粉和碳酸镁的催化效果相对较好”［1］。叶燕珠等人的研究认为，氧化铜、氧化钙、二氧化锰、氧化镁、氧化铁、四氧化三铁、氧化铅等金属氧化物能促使蔗糖燃烧，是其中的一些金属氧化物在起催化剂作用［13］。其实，这不是“催化剂”的催化结果，而是活性炭、石墨粉和碳酸镁的颗粒细，表面积大，吸附酒精的能力强，能维持混合物周围持续处于较高的反应温度状态，使反应更彻底，产生的“蛇”更长。所以，我们认为，所谓“催化剂”只起了一个作用：吸附足量的酒精，维持酒精集中在蔗糖混合物周围集中燃烧，减少扩散和浪费，使反应进行得比较彻底。各类实验教材上介绍的所谓催化剂，如烟灰、活性炭等，并没有与所有的混合物都充分接触，而催化剂不与反应物接触是谈不到催化作用的。（3）实验前，用酒精湿润混合物，可以方便地将混合物堆成比较尖的圆锥体的形状，有利于生成细而长的蛇状物。根据前面的分析，烟灰、活性炭等不是本实验的“催化剂”，那么石棉网是否起了催化剂的作用？实验中是否可以不用石棉网？仔细观察实验过程可以发现，石棉网具有一定的吸附酒精的能力，有助于反应的进行，但是有研究表明，石棉网在受热时能释放出纳米尺寸的细小纤维到空气中，会对师生健康造成伤害［14］，为了安全环保，设计了不用石棉网，改在铁架台的底座上进行的实验4和实验5。［实验4］将细沙过80目筛子，弃去粗大的沙粒保留细沙。用水反复淘洗细沙，待水澄清、沙子干净后在干净的地面上摊开，晾干。收集装瓶，备用。将上述晾干的细沙在铁架台的底座上铺成直径为2cm的小盘子状，中间低、周围高。沙子中间加入1滴管纯酒精。取大约0．5g蔗糖和碳酸氢钠的混合物，滴几滴酒精润湿，用手捏成比较尖的锥体形状，轻轻置于盘子的中央。用火柴点燃酒精，很快生成蛇状物，见图4。沙子可以回收并反复使用。［实验5］取一个铁架台，在底座上用研细的黄土铺一个直径约2cm的浅盘子形状，周围高、中间低，在中心位置滴加1滴管纯酒精；用药勺取大约0．5g提前研细混匀的蔗糖和碳酸氢钠混合物粉末，加几滴纯酒精（98％）润湿，立即用手指捏成比较尖的锥体形，下面大、上面小，小心竖直放置在铁架台底座上的“浅盘子”中间；迅速用火柴点燃酒精。很快混合物从顶端开始生成蛇状物，待火焰熄灭后，在反应物周围再补加2～3滴酒精，点燃，蛇状物会长得更长，见图5。细黄土可以回收并反复使用。实验4和实验5的结果证明，不用石棉网，完全可以获得理想的实验效果，所以，石棉网也不是本实验的催化剂。考虑石棉网有毒性，本实验放弃使用石棉网，改为置于铁架台底座上进行。那么，“点火成蛇”的趣味化学实验使用哪一种材料吸附酒精最好？主要考虑材料对酒精的吸附力、价格、绿色环保等因素。实验室不易找到草木灰、香烟灰等材料，用香烟灰做实验也不利于对学生“戒烟”的宣传，一般的实验室里收集沙子和黄土比较方便，建议用沙子和细黄土做吸附剂完成本实验，即推广实验4和实验5的方案。

4结论

（1）点火成蛇的实验并不需要“催化剂”，也可以不用石棉网。只要比表面积大、吸附酒精的能力较强、方便收集的材料，均可以用于本实验。（2）用酒精湿润混合物，可以方便地将混合物堆成比较尖的圆锥体的形状，有利于生成细而长的蛇状物。（3）普通的化学实验室或农村中小学，可以用河里的沙子或普通的细黄土完成本实验。（4）由于石棉网中的石棉有毒性，可以引起石棉肺、胸膜间皮瘤等疾病，一些国家已经禁止使用，所以，点火成蛇的实验在铁架台底座上做，更加环保，有利于实验者的健康。

参考文献

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［13］叶燕珠，吴新建，张贤金，等．化学教学，2015（1）：52－55

［14］李晶．化学教育，2016，37（22）：33－35

作者:王都留 燕翔 张少飞 杨建东 单位:陇南师范高等专科学校农林技术学院